《智能機器人》 ppt課件

1、第 15 章 智 能 機 器 人 第 15 章 智 能 機 器 人 15.1 15.1 智能機器人的概念智能機器人的概念15.2 15.2 機器人感知機器人感知15.3 15.3 機器人規(guī)劃機器人規(guī)劃15.4 15.4 機器人控制機器人控制15.5 15.5 機器人系統(tǒng)的軟件構(gòu)造機器人系統(tǒng)的軟件構(gòu)造15.6 15.6 機器人程序設(shè)計與言語機器人程序設(shè)計與言語 習(xí)題十五習(xí)題十五 第 15 章 智 能 機 器 人 15.1 智能機器人的概念智能機器人的概念 普通將機器人的開展分為三個階段。第一階段的機器人只需“手, 以固定程序任務(wù), 不具有外界信息的反響才干；第二階段的機器人具有對外界信息的反響才

2、干, 即有了覺得, 如力覺、觸覺、視覺等；第三階段, 即所謂“智能機器人階段,這一階段的機器人曾經(jīng)具有了自主性,有自行學(xué)習(xí)、推理、決策、 規(guī)劃等才干。 這也正符合Agent的條件, 所以, 如今把智能機器人也作為一種Agent。 第 15 章 智 能 機 器 人 智能機器人至少應(yīng)具備四種機能：感知機能獲取外部環(huán)境信息以便進展自我行動監(jiān)視的機能；運動機能施加于外部環(huán)境的相當于人的手、腳的動作機能；思想機能求解問題的認識、推理、判別機能；人-機通訊機能了解指示命令、 輸出內(nèi)部形狀, 與人進展信息交換的機能。 第 15 章 智 能 機 器 人 15.2 機機 器器 人人 感感 知知 機器人的感知包括

3、對外界和對本身的感知。感知機能是靠傳感器來實現(xiàn)的。因此,機器人傳感器可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器用來感知機器人的內(nèi)部形狀信息,包括關(guān)節(jié)位置、速度、加速度、姿態(tài)和方位等。常見的內(nèi)部傳感器有軸角編碼器、加速度計、陀螺系統(tǒng)等。外部傳感器用來感知機器人外部環(huán)境信息,它又分為接觸型和非接觸型兩種。前者有觸覺、壓覺、力覺、滑覺、熱覺等, 后者有視覺、聽覺、接近覺、間隔覺等。 第 15 章 智 能 機 器 人 機器人傳感器直接模擬人或生物的覺得器官。如根據(jù)人和昆蟲眼睛的成像原理研制的視覺傳感器,它能感受物體的外形、特征、顏色、位置、間隔和運動等。還有聽覺傳感器、 觸覺傳感器、 味覺傳感器等

4、也是用相應(yīng)的仿生原理制造的。 立體攝像機和激光測距儀是機器人獲得三維視覺的兩類適用傳感器。 在機器人感知研討中,視覺方面的成果最為突出,機器人視覺曾經(jīng)成為一門新興的獨立學(xué)科。機器人視覺的主要目的是從整體上了解一個給定的三維景物,為此,圖像處置、方式識別、知識工程和三維視覺等技術(shù)特別是智能技術(shù)在機器人視覺的研制中得到了運用。 第 15 章 智 能 機 器 人 15.3 機機 器器 人人 規(guī)規(guī) 劃劃 機器人規(guī)劃也稱機器人問題求解。感知才干使機器人可以感知對象和環(huán)境, 但要處理問題,即產(chǎn)生順應(yīng)對象和環(huán)境的動作, 還要依托規(guī)劃功能。規(guī)劃就是擬定行動步驟。 實踐上它就是一種問題求解技術(shù),即從某個特定問題

5、的初始形狀出發(fā), 尋覓或構(gòu)造一系列操作(也稱算子)步驟,到達處理問題的目的形狀。例如, 給定工件裝配義務(wù), 機器人按照什么步驟去操作每個工件？在雜亂的環(huán)境下,機器人如何尋求防止與妨礙碰撞的途徑, 去接近某個目的？規(guī)劃功能的強弱反映了智能機器人的智能程度。 第 15 章 智 能 機 器 人 機器人規(guī)劃的根本義務(wù)是：在一個特定的任務(wù)區(qū)域中自動地生成從初始形狀到目的形狀的動作序列、運動途徑和軌跡的控制程序。規(guī)劃系統(tǒng)可分為兩級：義務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)和運動規(guī)劃子系統(tǒng)。 義務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)根據(jù)義務(wù)命令,自動生成相應(yīng)的機器人執(zhí)行程序, 如將義務(wù)了解為任務(wù)區(qū)的形狀變化,那么它生成的即為把初始形狀變?yōu)槟康男螤畹囊粋€操作序

6、列。 運動規(guī)劃子系統(tǒng)首先將義務(wù)規(guī)劃的結(jié)果變成一個無碰撞的操作器運動途徑, 這一步稱為途徑規(guī)劃；然后再將途徑變?yōu)椴僮髌鞲麝P(guān)節(jié)的空間坐標, 構(gòu)成運動軌跡, 這一步稱為軌跡規(guī)劃。 第 15 章 智 能 機 器 人 義務(wù)規(guī)劃需求處理三個根本技術(shù)問題：問題或形狀的表示、 搜索戰(zhàn)略和子目的沖突問題。經(jīng)過多年的探求, 如今,至少已提出了四種有關(guān)義務(wù)規(guī)劃問題的方法, 這就是非層次規(guī)劃、 層次規(guī)劃、估價式規(guī)劃和機遇式規(guī)劃。 途徑規(guī)劃普通分解為尋空間和尋途徑兩個子問題。尋空間是指在某個指定的區(qū)域R中,確定物體A的平安位置,使它不與區(qū)域中的其他物體相碰撞。尋途徑是指在某個指定的區(qū)域R中, 確定物體A從初始位置挪動到

7、目的位置的平安途徑, 使得挪動過程不會發(fā)生與其他物體的碰撞。途徑規(guī)劃的方法有假設(shè)-測試法、 罰函數(shù)法、 位姿空間法、 旋轉(zhuǎn)映射圖法等。 第 15 章 智 能 機 器 人 近年來, 隨著計算智能技術(shù)的飛速開展, 人們也把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入了機器人規(guī)劃。例如, 利用一種并列銜接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實時地進展無碰撞途徑規(guī)劃。 該網(wǎng)絡(luò)對一系列的途徑點進展規(guī)劃, 其目的使得整個途徑的長度盡量短, 同時又要盡能夠遠離妨礙物。從數(shù)學(xué)的觀念看, 它等效于一個代價函數(shù), 該代價函數(shù)為途徑長度和碰撞次數(shù)的函數(shù)。這種方法的優(yōu)點是： (1) 算法固有的并行性可用并行硬件來實現(xiàn),對于有較多妨礙物、有較多途徑點以及物體上有較多測

8、試點的情況,可到達實時運用的程度。(2) 算法的并行性使得所規(guī)劃的途徑可以到達恣意高的精度而不添加計算時間。 第 15 章 智 能 機 器 人 15.4 機機 器器 人人 控控 制制 機器人控制即運動控制, 包括位置控制和力控制。位置控制就是對于運動規(guī)劃給出的運動軌跡,控制機器人的肢體(如機械手)產(chǎn)生相應(yīng)的動作。力控制那么是對機器人的肢體所發(fā)出的作用力(如機械手的握力和推力)大小的控制。 運動控制涉及機器人的運動學(xué)和動力學(xué)特性, 所以,運動控制研討需求許多運動學(xué)和動力學(xué)知識?？偟膩碚f, 機器人運動控制比較困難, 主要緣由在于要求的運動軌跡是在直角坐標空間中給定的,而實踐的運動卻是經(jīng)過安裝在關(guān)節(jié)

9、上的驅(qū)動部件來實現(xiàn)的。因此需求將機械手末端在直角坐標空間的運動變換到關(guān)節(jié)的運動, 也就是需求進展逆運動學(xué)的計算。這個計算取決于機器人的手臂參數(shù)以及所運用的算法。我們知道,具有四肢的動物(包括人類), 運動時會很自然地完成從目的空間到驅(qū)動器(肌肉)的轉(zhuǎn)換。這個轉(zhuǎn)換才干一方面是先天遺傳的, 另一方面也是經(jīng)過后天學(xué)習(xí)不斷完善的。 第 15 章 智 能 機 器 人 生物系統(tǒng)的運動控制為機器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制提供了很好的參考模型。這種控制不需求各個變量之間的準確的解析關(guān)系模型, 而只需經(jīng)過大量的例子的訓(xùn)練即可實現(xiàn)。 因此, 在機器人控制中廣泛采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。 在運動學(xué)的控制方法中, 分解運動速度的方

10、法是比較典型的一種。它是一種在直角坐標空間而不是在關(guān)節(jié)坐標空間進展閉環(huán)控制的方法。對于那些需求準確運動軌跡的跟蹤的義務(wù),如弧焊等, 必需采用這樣的控制方法。分解運動速度的方法的關(guān)鍵是速度逆運動學(xué)計算, 這個計算不僅需求有效的雅可比矩陣求逆算法,而且需求知道機器人的運動學(xué)參數(shù)。 假設(shè)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 那么可不用知道這些參數(shù),因此它可作為求解速度逆運動學(xué)的另一種頗具吸引力的方法。 第 15 章 智 能 機 器 人 通常的機器人運動學(xué)控制主要是基于正、逆運動學(xué)的計算。這種控制方法不但計算繁瑣,而且需求經(jīng)常校準才干堅持精度。為此,人們提出了一種雙向映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 進展機器人運動學(xué)控制。這種網(wǎng)絡(luò)主要由一個

11、前饋網(wǎng)組成, 隱層為正弦鼓勵函數(shù)。從網(wǎng)絡(luò)的輸出到輸入有一個反響銜接, 構(gòu)成循環(huán)回路。正向網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)正運動學(xué)方程, 反響銜接起修正網(wǎng)絡(luò)的輸入(關(guān)節(jié)變量), 以使網(wǎng)絡(luò)的輸出(末端位姿)向著期望的位姿點運動。 這種雙向映射網(wǎng)絡(luò)不但可以提供準確的正、逆運動學(xué)計算, 并且只需求簡單的訓(xùn)練。 第 15 章 智 能 機 器 人 在動力學(xué)控制中, 關(guān)鍵是逆動力學(xué)計算。這里主要有兩方面的問題, 一是計算任務(wù)量很大,難以滿足實時控制的要求； 二是需求知道機器人的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)。要獲得這些參數(shù), 尤其是動力學(xué)參數(shù)往往是很困難的。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)逆動力學(xué)的計算, 原那么上可以抑制上述兩個問題。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行計

12、算的特點, 它完全滿足實時性的要求, 同時它是經(jīng)過輸入輸出的數(shù)據(jù)樣本經(jīng)過學(xué)習(xí)而獲得動力學(xué)的非線性關(guān)系, 因此它并不依賴于機器人參數(shù)。 第 15 章 智 能 機 器 人 在力控制中, 無論是采用經(jīng)典控制還是現(xiàn)代控制, 都存在建模難題。 因此,人們將智能控制技術(shù)引入機器人力控制中, 產(chǎn)生了智才干控制方法。該方法運用遞階協(xié)調(diào)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)來實現(xiàn)力控制系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中, 力/位反響并行輸入, 模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對輸入信息進展并行非線性處置和綜合,將處置結(jié)果(位置量)輸出給位置伺服子系統(tǒng)。 這種控制系統(tǒng)具有高速呼應(yīng), 可以完成機器人在行走中與剛性外表接觸而產(chǎn)生位移時的實時控制。 第

13、15 章 智 能 機 器 人 智能機器人的控制構(gòu)造通常被設(shè)計成多處置機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò), 并采用智能控制的分層遞階構(gòu)造。如在縱向, 自頂向下分為四層, 每一層完成不同級別的功能。第一層擔任義務(wù)規(guī)劃, 把目的義務(wù)分解為初級義務(wù)序列。第二層擔任途徑規(guī)劃, 把初級挪動命令分解為一系列字符串, 這些字符串定義了一條可防止碰撞和死點的運動途徑。第三層的根本功能是計算慣量動力學(xué)并產(chǎn)生平滑軌跡, 在根本坐標系中控制末端執(zhí)行器。 第四層為伺服和坐標變換,完成從根本坐標到關(guān)節(jié)坐標系的坐標變換以及關(guān)節(jié)位置、 速度和力的伺服控制。第 15 章 智 能 機 器 人 15.5 機器人系統(tǒng)的軟件構(gòu)造機器人系統(tǒng)的軟件構(gòu)造到目前為

14、止最流行的混合體系構(gòu)造是三層體系構(gòu)造, 它由一個反響層、一個執(zhí)行層和一個思索層組成。 反響層為機器人提供低層次的控制。它的特征是具有嚴密的傳感器-行動循環(huán)。 它的決策循環(huán)通常是以毫秒計的。 第 15 章 智 能 機 器 人 執(zhí)行層(或序列化層)起著反響層和思索層之間的粘合劑的作用。它接納由思索層發(fā)出的指令, 序列化以后傳送給反響層。例如, 執(zhí)行層將會處置一系列由思索式途徑規(guī)劃器生成的經(jīng)過點, 并作出采取哪種反響行為的決策。 執(zhí)行層的決策循環(huán)通常是以秒計的。執(zhí)行層還擔任將傳感器的信息整合到一個內(nèi)部形狀表示中。例如, 它將掌管機器人定位和聯(lián)機繪制地圖等義務(wù)。 第 15 章 智 能 機 器 人 思索

15、層利用規(guī)劃生成復(fù)雜問題的全局解。由于生成這一類解的過程中涉及計算復(fù)雜度, 它的決策循環(huán)通常是以分鐘計的。 思索層(或規(guī)劃層)運用模型進展決策。 這些模型可以事先提供或者從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)得到, 它們通常利用了在執(zhí)行層搜集到的形狀信息。 三層體系構(gòu)造的各種變體可以在大多數(shù)現(xiàn)代機器人軟件系統(tǒng)中找到。當然, 三個層次的劃分并不是非常嚴厲的。一些機器人軟件系統(tǒng)具有更多的層次, 例如還可有用于控制人機交互的用戶接口層,或者擔任協(xié)調(diào)機器人與在同一環(huán)境下運轉(zhuǎn)的其他機器人的行動的軟件層等。 第 15 章 智 能 機 器 人 15.6 機器人程序設(shè)計與言語機器人程序設(shè)計與言語 15.6.1 15.6.1 機器人程序設(shè)

16、計機器人程序設(shè)計1. 1. 直接示教方式直接示教方式直接示教方式也稱示教再現(xiàn)方式直接示教方式也稱示教再現(xiàn)方式, ,其詳細做法是其詳細做法是, ,運用示教運用示教盒根據(jù)作業(yè)的需求把機器人的手爪送到作業(yè)所需求的位置上去盒根據(jù)作業(yè)的需求把機器人的手爪送到作業(yè)所需求的位置上去, , 并處于所需求的姿態(tài)并處于所需求的姿態(tài), , 然后把這一位置、姿態(tài)存儲起來。對作然后把這一位置、姿態(tài)存儲起來。對作業(yè)空間的各軌跡點反復(fù)上述操作業(yè)空間的各軌跡點反復(fù)上述操作, , 機器人就把整個作業(yè)程序記機器人就把整個作業(yè)程序記憶了下來。憶了下來。 任務(wù)時任務(wù)時, , 再現(xiàn)上述操作就能使機器人完成預(yù)定的再現(xiàn)上述操作就能使機器人

17、完成預(yù)定的作業(yè)作業(yè), , 同時可以反復(fù)同樣的作業(yè)過程。同時可以反復(fù)同樣的作業(yè)過程。 直接示教法的優(yōu)點是不需求預(yù)備知識直接示教法的優(yōu)點是不需求預(yù)備知識, ,不需求復(fù)雜的計算不需求復(fù)雜的計算機安裝。所以被廣泛運用機安裝。所以被廣泛運用, ,尤其適宜單純的反復(fù)性作業(yè)尤其適宜單純的反復(fù)性作業(yè), ,例如搬例如搬運、噴漆、焊接等。運、噴漆、焊接等。 第 15 章 智 能 機 器 人 直接示教法的缺陷是: (1) 示教時間長、速度慢。(2) 不同的機器人,或者即使同一個機器人, 對于不同的義務(wù)都需求重新示教。(3) 無法接受覺得信息的反響。(4) 無法控制多臺機器人的協(xié)調(diào)動作。 第 15 章 智 能 機 器

18、 人 2. 離線數(shù)據(jù)程序設(shè)計方式離線數(shù)據(jù)程序設(shè)計方式就是運用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計數(shù)據(jù), 計算出為了完成某一作業(yè), 機器人手爪應(yīng)該運動的位置和姿態(tài), 即用CAD的方法產(chǎn)生示教數(shù)據(jù)。這一方式抑制了直接示教法的缺陷, 對于復(fù)雜的作業(yè), 或許要給出延續(xù)的數(shù)據(jù)時, 采用此方法是比較適宜的。 第 15 章 智 能 機 器 人 3. 機器人言語方式機器人言語方式就是運用機器人程序設(shè)計言語編程, 使機器人按程序完成作業(yè)。 這種方式的優(yōu)點是: (1) 由于用計算機替代了手動示教,提高了編程效率。(2) 言語編程與機器人型號無關(guān),編好的程序可供多臺機器人或不同型號的機器人運用。(3) 可以接受覺得信息。(4)

19、可以協(xié)調(diào)多臺機器人任務(wù)。(5) 可以引入邏輯判別、決策、規(guī)劃功能以及人工智能的其他方法。 第 15 章 智 能 機 器 人 15.6.2 15.6.2 機器人程序設(shè)計言語機器人程序設(shè)計言語機器人程序設(shè)計言語普通是一種公用言語機器人程序設(shè)計言語普通是一種公用言語, , 即用符號來描即用符號來描畫機器人的動作。這種言語類似于通常的計算機的程序設(shè)計言畫機器人的動作。這種言語類似于通常的計算機的程序設(shè)計言語語, , 但有所區(qū)別。普通所說的計算機言語但有所區(qū)別。普通所說的計算機言語, , 只指言語本身只指言語本身, , 而而機器人言語實踐上是一個言語系統(tǒng)。機器人言語系統(tǒng)既包含言機器人言語實踐上是一個言語

20、系統(tǒng)。機器人言語系統(tǒng)既包含言語本身語本身給出作業(yè)的指示和動作指示給出作業(yè)的指示和動作指示, ,又包含處置系統(tǒng)又包含處置系統(tǒng)根據(jù)上述指示來控制機器人系統(tǒng)根據(jù)上述指示來控制機器人系統(tǒng), , 另外還包括了機器人的任務(wù)另外還包括了機器人的任務(wù)環(huán)境模型。環(huán)境模型。 第 15 章 智 能 機 器 人 根據(jù)作業(yè)描畫程度的高低, 機器人言語通常分為三級: 動作程度級、對象物程度級和作業(yè)目的程度級(也稱義務(wù)級)。 動作程度級言語是以機械手的運動作為作業(yè)描畫的中心, 由使手爪從一個位置到另一個位置的一系列命令組成。對象物程度級言語是以部件之間的相互關(guān)系為中心來描畫作業(yè)的,與機器人的動作無關(guān)。作業(yè)目的程度級言語那么

21、是以作業(yè)的最終目的形狀和機器人動作的普通規(guī)那么的方式來描畫作業(yè)的。 第 15 章 智 能 機 器 人 這種分類法較好地反映了言語的程度和功能, 但在級與級之間還有些模糊或混亂, 所以,另一種分類法將機器人言語分為五級: 操作程度級、 原始動作程度級、 構(gòu)造性動作程度級、對象物形狀程度級和作業(yè)目的程度級。 機器人程序設(shè)計言語研討是智能機器人研討的重要方面。 這方面如今也有不少成果, 人們曾經(jīng)開發(fā)出了許多機器人言語。這些言語有匯編型的, 如VAL言語;有解釋型的,如AML; 有編譯型的,如AL、LM言語; 還有自然言語型的,如AUTOPASS等。 第 15 章 智 能 機 器 人 近年來, 機器人

22、程序設(shè)計言語有了很大開展, 簡介如下: 通用機器人言語GRL(Generic Robot Language, Horswill, 2000)。該言語是一種用于編寫大型模塊化控制系統(tǒng)的函數(shù)程序設(shè)計言語。正如在行為言語中一樣,GRL采用有限形狀機作為它的根本建造模塊。在此之上, 它比行為模型提供了范圍更廣的構(gòu)造用于定義通訊流, 以及不同模塊之間的同步約束。用GRL寫的程序可以被編譯成高效的指令言語, 如C言語。 第 15 章 智 能 機 器 人 反響式行動規(guī)劃系統(tǒng)RAPS。該言語是一種用于并發(fā)機器人軟件的重要程序設(shè)計言語,它使程序員可以對目的、與這些目的相關(guān)的規(guī)劃(或不完全戰(zhàn)略)和那些有能夠使規(guī)劃

23、勝利的條件進展指定。重要的是,RAPS還提供了一些措施用于處置那些在實踐機器人系統(tǒng)中不可防止發(fā)生的失敗。程序員可以指定檢測各種失敗的例行程序,并為每一種失敗提供處置異常的過程。在三層體系構(gòu)造中, RAPS通常用在執(zhí)行層, 處置那些不需求重新進展規(guī)劃的偶發(fā)事件。 第 15 章 智 能 機 器 人 GOLOG。該言語是一種將思索式問題求解(規(guī)劃)和反響式控制的直接確定進展無縫結(jié)合的程序設(shè)計言語。用GOLOG寫的程序經(jīng)過情景演算進展方式化表示,并運用了非確定性的行動算子的附加選項。除了用能夠的非確定性行動制定控制程序以外,程序員還必需提供機器人及其環(huán)境的完好模型。 一旦控制程序到達一個非確定性的選擇點, 一個規(guī)劃器(具有實際證明機的方式)就被觸發(fā),用來決議下一步該做什么。 這樣, 程序員就可以指定部分控制器,并依托內(nèi)置的規(guī)劃器來做出最終的控制選擇。GOLOG的優(yōu)美性表達在它對反響和思索的無縫整合上。雖然GOLOG需求很